一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构及施工方法

摘要

本发明提供一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构及施工方法。所述组合桩支护结构包括支护桩围护结构、环形内支撑、位于支护桩围护结构与环形内支撑之间的液压千斤顶反力系统；围护结构是由H型钢和U型钢板桩交错围合而成的环形围护结构；所述液压千斤顶反力系统包括液压控制系统和分散设置在支护桩围护结构与环形内支撑之间的多个液压千斤顶本发明在施工围护结构中通过伺服液压千斤顶控制和提高圆筒型基坑侧向刚度，同时监测支护桩土压力和内支撑轴力预警。本发明所述的施工方法及设备具有施工工艺简单、施工机械小、占地面积小，预制拼装而成、适应性强、建造快速，具有支护和止水的双重效果，具有很强的推广应用价值。

权利要求

1.一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，其特征在于：所述支护结构包括外层的支护桩围护结构（1）、环形内支撑（2）、位于支护桩围护结构（1）与环形内支撑（2）之间的液压千斤顶反力系统（3），所述支护桩围护结构（1）是由H型钢（100）和U型钢板桩（101）交错围合而成的环形围护结构，在每根H型钢（100）的其中一侧翼板的两端分别设有与U型钢板桩（101）上的第一锁口（102）相匹配的第二锁口（103），相邻的H型钢（100）和U型钢板桩（101）之间通过第一锁口（102）和第二锁口（103）咬合连接形成一个环形结构；所述环形内支撑（2）是由多根弧形钢梁（200）拼接而成的，所述液压千斤顶反力系统包括液压控制系统（300）和分散设置在支护桩围护结构（1）与环形内支撑（2）之间的多个液压千斤顶（301），在支护桩围护结构（1）内侧对应安装液压千斤顶（301）的位置安装有吊架（4），每个液压千斤顶（301）主体一端置于吊架（4）上，并与支护桩围护结构（1）顶紧，另一端与环形内支撑（2）连接；所述液压控制系统（300）通过信号电缆（302）与液压千斤顶（301）信号连接，液压控制系统（300）用于控制液压千斤顶的行程 ，并采集液压千斤顶的轴力数据，对支护结构外侧的土压力监测以及对支护结构的环形内支撑轴力监测；

所述液压千斤顶（301）上设有压力传感器和行程传感器，在液压千斤顶（301）的进油口设有伺服油阀（304），所述液压控制系统（300）包括千斤顶轴力采集模块、土压力及环形内支撑轴力监测模块、行程控制模块和显示报警模块；所述压力传感器用于监测液压千斤顶（301）的轴向压力，并输送至千斤顶轴力采集模块，所述土压力及环形内支撑轴力监测模块用于根据千斤顶轴力采集模块采集的轴向压力计算土压力和环形内支撑轴力后发送至显示报警模块；所述行程传感器用于监测液压千斤顶（301）的行程，并将信号发送至行程控制模块，通过行程控制模块控制伺服油阀（304）的进油量。

2.根据权利要求1所述的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，其特征在于：所述U型钢板桩（101）的开口朝向环形围护结构的圆心，所述第二锁口（103）通长焊接在H型钢（100）的翼缘两侧，H型钢（100）和U型钢板桩（101）咬合连接后，U型钢板桩（101）的开口面与H型钢（100）内侧翼板在同一环形面上；所述液压千斤顶（301）间隔分布在H型钢（100）内侧，且相邻液压千斤顶（301）之间间隔一根H型钢（100）和两根U型钢板桩（101）。

3.根据权利要求1所述的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，其特征在于：所述吊架（4）为可调式吊架，包括竖向端板（400）和横向托板（401），竖向端板（400）竖向焊接在H型钢（100）临近基坑一侧的翼板上，在竖向端板（400）内侧底部对称设有连接板（402），每块连接板（402）上方通过连接架（403）与竖向端板（400）固定连接，所述横向托板（401）位于连接板（402）下方，并与竖向端板（400）相互垂直，横向托板（401）通过调节螺栓（404）与连接板（402）连接；所述液压千斤顶（301）的顶紧端置于横向托板（401）上，另一端与弧形钢梁（200）焊接或通过螺栓连接，在液压千斤顶（301）上设有吊环（303）。

4.根据权利要求1述的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，其特征在于：所述弧形钢梁（200）有Ⅰ型和Ⅱ型两种，选择其中一种或两种组合拼成环形内支撑（2），相邻弧形钢梁（200）之间通过多个连接螺栓（201）连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，其特征在于：所述H型钢（100）的高为700 850mm，型钢宽度为300mm，型钢翼板厚度为19 31mm，型钢腹板宽度为~ 3 3 ~

13 17mm，截面模量为4743cm 9073cm ；所述U型钢板桩宽度为400 600mm，钢板桩高度为125~ ~ ~

225mm，钢板桩腹板厚度为8.0 27.6mm。

~ ~

6.一种权利要求1至5中任意一项所述的用于圆筒型基坑的组合桩支护结构的施工方法，其特征在于具体步骤如下：S1：施工准备，加工H型钢，在H型钢的其中一侧翼板的两端焊接锁口，且该锁口与U型钢板桩的锁口相匹配；

S2：场地整平及测量放线，根据设计图纸确定支护桩围护结构的桩位；

S3：沉桩施工支护桩围护结构；

S4：基坑开挖与内支撑施做；首先进行基坑的开挖，在开挖到第一层内支撑设置标高时，在施工好的支护桩围护结构的H型钢临近基坑侧翼板上焊接吊架，相邻两吊架之间间隔一组H型钢，并调节吊架托板标高，使其符合内支撑安装要求；然后安装液压千斤顶系统，其液压控制系统置于地面，液压千斤顶安装在吊架上，将准备好的Ⅰ型或Ⅱ型弧形钢粱拼接成环形内支撑，并与液压千斤顶连接；

 S5：通过液压控制系统调整液压千斤顶行程，并在调整过站中通过千斤顶的轴向压力监测土压力及环形内支撑轴力，使得环形内支撑与液压千斤顶、液压千斤顶与支护桩围护结构连接紧密，完成第一层基坑支护结构的施工；

 S6：继续开挖到下一层内支撑标高，重复S4与S5，完成下一层基坑支护结构的施工过程；

 S7：重复S6直至开挖到基坑底部，完成整个基坑支护结构的施工。

7.根据权利要求6所述的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构的施工方法，其特征在于所述S5步骤中通过千斤顶的轴向压力监测土压力及环形内支撑轴力的监测具体是通过压力传感器监测液压千斤顶的轴向压力，并通过千斤顶轴力采集模块采集数据后，发送至土压力及环形内支撑轴力监测模块，通过土压力及环形内支撑轴力监测模块计算出土压力和环形内支撑轴力后发送至显示报警模块进行显示及报警提示；

其中，所述土压力的计算过程安装公式（1.1）进行：

式中：

Pak—监测点深度处的土压力（kPa）;

n—单个弧形拼装钢梁上千斤顶的个数；

P—千斤顶轴力（kN）;

nh—弧形钢梁的弧度（rad）;

d—圆筒型基坑开挖直径（m）；

b—计算段支护桩等效高度，与H型钢材料性质有关，取千斤顶与支护桩接触面垂直方向长度的1.0 1.2倍（m）；

~

所述环形内支撑轴力按照公式（1.2）计算： 

式中：NC—环形内支撑轴力监测值（kN）；

 p—伺服液压千斤顶最大轴力监测值的0.95倍（KN）；

nh—换撑弧度（rad）；

 n—单个弧形拼装钢梁上千斤顶的个数。

8.根据权利要求6所述的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构的施工方法，其特征在于：所述S3步骤中，当基坑开挖深度较深、地层条件较差时预先施做三轴搅拌桩，并在再搅拌桩中插入由H型钢和U型钢板桩组成的组合桩；当工程地质及地下水条件较好时，直接沉桩。

9.根据权利要求6所述的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构的施工方法，其特征在于：所述S7步骤中基坑支护结构施工完成后，依次施做基坑底板，从下至上分层施工侧墙及肥槽回填，每层侧墙施工完成后拆除改层的液压千斤顶系统和环形内支撑。

说明书

一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构及施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地下空间开发技术领域，具体涉及一种圆筒型基坑组合桩支护结构及施工方法。

背景技术

[0002] 随着“十四五”规划的出台，我国城市建设又迈进了新台阶，尤其是旧城改造、城市更新等更是快马加鞭。但城市土地资源有限，尤其是老城区，由于发展规划超前度不够、地下管线繁多、建筑产权复杂等因素大大制约了地下、地上空间利用效率。因而造成老旧城区、小区“停车难”等问题，大大影响居民幸福感。应运而生的出现了以节约土地资源、充分利用地下空间为宗旨，见缝插针的建造地下车库，而圆筒型地下机械车库是该类型车库中最具代表性、且市场潜力最大的。

[0003] 众所周知，圆筒型地下车库建设中难度最大、最具地域性且最重要的莫非圆筒型基坑支护工程，传统的基坑支护比较常用搞得是采用SMW工法桩及钢板桩，SMW工法桩及钢板桩由于施工质量控制难度大、地层适应性差，使得在地下水丰富地区止水效果差、基坑稳定性不易保证；传统的基坑支护内支撑多为混凝土支撑或钢支撑，在圆筒型基坑中适应性较差。而且，现有圆筒型基坑，如地铁通风井、顶管工作井、矿山竖向巷道井等，由于存在圆拱效应，其围护结构的土压力不同于常见的多边形或异形基坑，与传统多边形或不规则形基坑相比，圆筒型基坑所独有的圆环效应使支护结构因土压力而产生的弯矩有所减小，这一点在相关规范中以“环向刚度”体现；在基坑支护桩施工中往往存在误差，使得圆筒型基坑难以保证其“真圆度”，进而大大削减“环向刚度”，增加支护成本。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术存在的问题，结合圆筒型基坑此特点，提供了一种圆筒型基坑组合桩支护结构及施工方法，该方法以H型钢及钢板桩为基础，配合由伺服液压千斤顶、弧形钢梁组成的环形内支撑系统，在圆筒型基坑支护方面实现模块化装配，达到绿色施工为目的；同时采用拼装式环形钢支撑与伺服液压千斤顶反力控制系统一方面可减小支护桩施工对支护结构环向刚度的影响，从而减小支护结构弯矩、降低配筋率，达到设计优化目的。本申请中的支护结构施工工艺简单、围护结构止水性好、可以进行模块化施工，提高施工速度，并可以实现支护结构土压力监测和内支撑轴力监测与预警。

[0005] 为了达到上述技术目的，本发明提供了一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，所述支护结构包括外层的支护桩围护结构、环形内支撑、位于支护桩围护结构与环形内支撑之间的液压千斤顶反力系统，所述支护桩围护结构是由H型钢和U型钢板桩交错围合而成的环形围护结构，在每根H型钢的其中一侧翼板的两端分别设有与U型钢板桩上的第一锁口相匹配的第二锁口，相邻的H型钢和U型钢板桩之间通过第一锁口和第二锁口咬合连接形成一个环形结构；所述环形内支撑是由多根弧形钢梁拼接而成的，所述液压千斤顶反力系统包括液压控制系统和分散设置在支护桩围护结构与环形内支撑之间的多个液压千斤顶，在支护桩围护结构内侧对应安装液压千斤顶的位置安装有吊架，每个液压千斤顶主体一端置于吊架上，并与支护桩围护结构顶紧，另一端与环形内支撑连接；所述液压控制系统通过信号电缆与液压千斤顶信号连接，液压控制系统用于控制液压千斤顶的行程，并采集液压千斤顶的轴力数据，对支护结构外侧的土压力监测以及对支护结构的环形内支撑轴力监测。

[0006] 本发明进一步的技术方案：所述液压千斤顶上设有压力传感器和行程传感器，在液压千斤顶的进油口设有伺服油阀，所述液压控制系统包括千斤顶轴力采集模块、土压力及环形内支撑轴力监测模块、行程控制模块和显示报警模块；

[0007] 所述压力传感器用于监测液压千斤顶的轴向压力，并输送至千斤顶轴力采集模块，所述土压力及环形内支撑轴力监测模块用于根据千斤顶轴力采集模块采集的轴向压力计算土压力和环形内支撑轴力后发送至显示报警模块；

[0008] 所述行程传感器用于监测液压千斤顶的行程，并将信号发送至行程控制模块，通过行程控制模块控制伺服油阀的进油量。

[0009] 本发明较优的技术方案：所述U型钢板桩的开口朝向环形围护结构的圆心，所述第二锁口通长焊接在H型钢的翼缘两侧，H型钢和U型钢板桩咬合连接后，U型钢板桩的开口面与H型钢内侧翼板在同一环形面上；所述液压千斤顶间隔分布在H型钢内侧，且相邻液压千斤顶之间间隔一根H型钢和两根U型钢板桩。本发明较优的技术方案：所述吊架为可调式吊架，包括竖向端板和横向托板，竖向端板竖向焊接在H型钢临近基坑一侧的翼板上，在竖向端板内侧底部对称设有连接板，每块连接板上方通过连接架与竖向端板固定连接，所述横向托板位于连接板下方，并与竖向端板相互垂直，横向托板通过调节螺栓与连接板连接；所述液压千斤顶的顶紧端置于横向托板上，另一端与弧形钢梁焊接或通过螺栓连接，在液压千斤顶上设有吊环。

[0010] 本发明较优的技术方案：所述弧形钢梁有Ⅰ型和Ⅱ型两种，选择其中一种或两种组合拼成环形内支撑，相邻弧形钢梁之间通过多个连接螺栓连接。

[0011] 本发明较优的技术方案：所述H型钢的高为700～850mm，型钢宽度为300mm，型钢翼3 3
板厚度为19～31mm，型钢腹板宽度为13～17mm，截面模量为4743cm～9073cm ；所述U型钢板桩宽度为400～600mm，钢板桩高度为125～225mm，钢板桩腹板厚度为8.0～27.6mm。

[0012] 为了达到上述技术问题，本发明还提供了一种权利要求1至6中任意一项的用于圆筒型基坑的组合桩支护结构的施工方法，其特征在于具体步骤如下：

[0013] S1：施工准备，加工H型钢，在H型钢的其中一侧翼板的两端焊接锁口，且该锁口与U型钢板桩的锁口相匹配；

[0014] S2：场地整平及测量放线，根据设计图纸确定支护桩围护结构的桩位；

[0015] S3：沉桩施工支护桩围护结构；所述沉桩的过程与拉森钢板桩的施工过程相同，单根施工，然后相邻两根桩体之间通过锁扣扣合；

[0016] S4：基坑开挖与内支撑施做；首先进行基坑的开挖，在开挖到第一层内支撑设置标高时，在施工好的支护桩围护结构的H型钢临近基坑侧翼板上焊接吊架，相邻两吊架之间间隔一组H型钢，并调节吊架托板标高，使其符合内支撑安装要求；然后安装液压千斤顶系统，其液压控制系统置于地面，液压千斤顶安装在吊架上，将准备好的Ⅰ型或Ⅱ型弧形钢粱拼接成环形内支撑，并与液压千斤顶连接；

[0017] S5：通过液压控制系统调整液压千斤顶行程，并在调整过站中通过千斤顶的轴向压力监测土压力及环形内支撑轴力，使得环形内支撑与液压千斤顶、液压千斤顶与支护桩围护结构连接紧密，完成第一层基坑支护结构的施工；

[0018] S6：继续开挖到下一层内支撑标高，重复S4与S5，完成下一层基坑支护结构的施工过程；

[0019] S7：重复S6直至开挖到基坑底部，完成整个基坑支护结构的施工。

[0020] 本发明进一步的技术方案：所述S5步骤中通过千斤顶的轴向压力监测土压力及环形内支撑轴力的监测具体是通过压力传感器监测液压千斤顶的轴向压力，并通过千斤顶轴力采集模块采集数据后，发送至土压力及环形内支撑轴力监测模块，通过土压力及环形内支撑轴力监测模块计算出土压力和环形内支撑轴力后发送至显示报警模块进行显示及报警提示；

[0021] 其中，所述土压力的计算过程安装公式(1.1)进行：

[0022]

[0023] 式中：

[0024] pak—监测点深度处的土压力(kPa)；

[0025] n—单个弧形拼装钢梁上千斤顶的个数；

[0026] p—千斤顶轴力(kN)；

[0027] nh—弧形钢梁的弧度(rad)；

[0028] d—圆筒型基坑开挖直径(m)；

[0029] b—计算段支护桩等效高度，与H型钢材料性质有关，取千斤顶与支护桩接触面垂直方向长度的1.0～1.2倍(m)。

[0030] 所述环形内支撑轴力按照公式(1.2)计算：

[0031]

[0032] 式中：Nc—环形内支撑轴力监测值(kN)；

[0033] p—伺服液压千斤顶最大轴力监测值的0.95倍(KN)；

[0034] nh—换撑弧度(rad)；

[0035] n—单个弧形拼装钢梁上千斤顶的个数；

[0036] 本发明较优的技术方案：所述S3步骤中，当基坑开挖深度较深、地层条件较差时预先施做三轴搅拌桩，并在再搅拌桩中插入由H型钢和U型钢板桩组成的组合桩；当工程地质及地下水条件较好时，直接沉桩。

[0037] 本发明较优的技术方案：所述S7步骤中基坑支护结构施工完成后，依次施做基坑底板，从下至上分层施工侧墙及肥槽回填，每层侧墙施工完成后拆除改层的液压千斤顶系统和环形内支撑。

[0038] 本发明中的液压千斤顶控制系统，具有以下功能：

[0039] 一是弥补支护桩围护结构的施工误差，提高基坑环向刚度。研究表明，影响圆筒型基坑环向刚度主要施工因素是桩位施工偏差和基坑开挖平面尺寸，因此通过控制支护桩桩位施工精度是提高圆筒型基坑侧向刚度的主要手段；本发明从弥补支护桩施工误差角度出发，通过液压千斤顶控制系统调整伺服液压千斤顶的行程补偿支护桩施工偏差，进而保证围护体整体稳定性，提高圆筒基坑环向刚度。二是采集千斤顶的轴向压力数据，实现支护结构的监测；一方面，支护桩将基坑外的主动土压力传递给伺服液压千斤顶，液压千斤顶控制系统可采集每个弧形钢梁上液压千斤顶的轴向压力，再通过公式将液压千斤顶的轴向压力换算为对支护段的主动土压力，进而实现土压力监测；另一方面，液伺服液压千斤顶一端与弧形钢粱固定连接，液压千斤顶控制系统采集的千斤顶轴向压力通过公式换算成为环形内支撑的轴力，从而实现环撑轴力监测与预警。本发明中的液压千斤顶还可以监测支护桩内支撑标高处位移，具体是以在轴力控制模式下进行，即将该点计算的土压力作为轴力控制土压力，在此压力下允基坑发生变形，从而实现位移监测。

[0040] 三是本发明的千斤顶还可以实时监测结构内力，实现开挖过程动态调节；所述液压千斤顶控制系统是环形内支撑动态调节核心，当监测数据局部存在应力过大或过小时，液压千斤顶控制系统通过控制伺服千斤顶的液压供给来调整所述环形内支撑的轴力，使其在环形内支撑的承载力范围内，配合基坑位移监测，可在充分发挥支护桩环向刚度的同时实现整个支撑体系的内力动态调节。

[0041] 本发明通过液压千斤顶施加轴力时便可将环形内支撑与支护桩围护结构顶紧，形成牢固的支护体系，该支护体系充分利用圆筒型基坑支护结构环向刚度，减少支护体弯矩、降低配筋路，保证基坑及地下结构安全性和耐久性。本发明中的环形内支撑采用组合拼装式建造，各构件可在工厂中预制，到施工现场进行拼装，且弧形钢粱尺寸小、重量轻，坑内拼装无须使用大型机械，施工速度快；采用标准化构件，施工精度高、质量控制好。而且本发明还可根据圆筒型基坑平面尺寸选取一种或多种型号弧形钢粱，组合拼装成不同直径的环形内支撑，灵活用于直径10～20m的圆筒型基坑，且可拆卸后重复使用，支护效果好。

[0042] 本发明中的轴力数据可以通过千斤顶的液压油表换算，也可通过在千斤顶伺服油阀中安装压力传感器进行采集；液压千斤顶控制系统可以由两种控制模式：一是轴力控制模式，即工程技术人员根据基坑允许变形量级地质情况提前设定好围护结构轴力，在轴力传感器监测到轴力出现损失过过大时，系统通过调整千斤顶行程，来让结构内力保持在设定值范围内，此种情况下允许围护结构发生变形；二是位移控制模式，即在需要控制地面沉降时，工程人员根据基坑等级及围护结构强度、基坑变形监测值，设计定伺服千斤顶行程，从而保证基坑变形在一定范围内，但此情况下支护结构内力不得超过设计允许值。可以看出，在轴力控制模式下内力为主导，允许基坑产生较大变形；在变形控制模式下，仅允许基坑不产生或者产生较小变形，但围护结构内力应当控制在材料容许强度范围内。两种控制均通过控制压夜油供给量实现。

[0043] 本发明的有益效果：

[0044] 1.本申请中的组合桩支护体系由拉森钢板桩和带有连接头的H型钢桩组成，当地层土为软土、一般粘性土、松散～中秘的粉土粉砂时可直接采用该组合桩，起到支护和止水的效果；当地基土为老粘性土或墙高较高的土层时可配合三轴搅拌桩施工；其中，H型钢具有抗弯刚度大、施工方便且可回收利用，其主要作用在于承受基坑土压力、控制坑内外土体变形、保证基坑稳定性，H型钢桩与U型钢板桩通过锁口咬合形成整体，起到止水效果和挡土效果；因此，形成组合桩牢靠稳固、受力合理、具有抗弯刚度大、止水效果好、基坑支护效果，在地下水丰富的软土地区有极好的适用效果。

[0045] 2.本申请提供的内支撑系统由液压伺服千斤顶反力控制系统和拼装式环形内支撑组成，环形内支撑由弧形钢梁拼装而成，可以通过选择不同的弧形钢梁来实现不同直径圆筒型基坑内支撑建造；同时，伺服液压千斤顶反力控制系统将千斤顶轴力根据相应公式换算成支护桩土压力和环形内支撑轴力，可实现土压力监测和支撑内力监测与预警，同时配合其余监测方法，通过调整液压伺服千斤顶进程实现内支撑系统动态调节。

[0046] 3.本申请通过伺服液压千斤顶反力控制系统调整千斤顶行程和反力弥补只装施工误差，提高圆筒型基坑“真圆度”，进而增加支护结构侧向刚度，达到提高基坑稳定性、减少建造成本的目的，同时采用装配式建造，缩短建设周期、提高施工效率。

[0047] 4.本申请环形内支撑采用双拼H型钢支撑，具有轻量化、高强度的特点，且组合桩及内支撑系统均采用可拆卸、模块化、标准化施工，施工方便快捷、可用于建造标准化的圆筒型基坑，节约工期和成本、循环使用绿色环保，可广泛用于地铁、地下综合管廊、地上水工隧洞、圆筒型地下停车库、地下储能等领域，具有极广的市场前景。

[0048] 本申请充分利用圆筒型基坑环向刚度，对钢板桩、型钢桩及圆环内支撑进行创新性的改造，实现了圆筒型基坑支护施工方法的革新，本申请以H型钢及钢板桩为基础，配合由伺服液压千斤顶、弧形钢梁组成的环形内支撑系统，在圆筒型基坑支护方面实现了模块化装配和绿色施工，同时采用拼装式环形钢支撑与伺服液压千斤顶反力控制系统一方面减小了支护桩施工对支护结构环向刚度的影响，从而减小了支护结构弯矩、降低配筋率；另一方面，通过采集伺服千斤顶反力还实现了对支护结构土压力监测和内支撑轴力监测与预警。

[0049] 本申请中的支护结构施工工艺简单、具有抗弯刚度大、止水效果好、基坑支护效果好、可以进行模块化施工，提高了施工速度，提高了回收利用率，可广泛用于圆筒型基坑例如地铁或矿山竖井、顶管机盾构工作井等，具有很高的推广价值。

附图说明

[0050] 图1是本发明中的平面示意图；

[0051] 图2是本发明中支护结构的立面示意图；

[0052] 图3是本发明图1中A部放大示意图；

[0053] 图4是本发明中的支护桩连接示意图；

[0054] 图5是本发明中的环形内支撑连接示意图；

[0055] 图6是图5中AA剖面图；

[0056] 图7是本发明中的吊架的结构示意图；

[0057] 图8是本发明中液压千斤顶的示意图；

[0058] 图9是本发明中施工流程图；

[0059] 图10是本发明的内支撑计算平面图；

[0060] 图11是本发明的轴力与土压力计算立面图；

[0061] 图12是本发明的千斤顶受力分析图；

[0062] 图13是本发明中主动土压力换算简图；

[0063] 图14是本发明中环线内支撑轴力换算平面简图；

[0064] 图15是本发明中环线内支撑轴力计算简图。

[0065] 图中：1—支护桩围护结构，100—H型钢，101—U型钢板桩，102—第一锁口，103—第二锁口；2—环形内支撑，200—弧形钢梁，201—连接螺栓；3—液压千斤顶系统，300—液压控制系统，301—液压千斤顶，302—信号电缆，303—吊环，304—伺服油阀；4—吊架，400—竖向端板，401—横向托板，402—连接板，403—连接架，404—调节螺栓。

具体实施方式

[0066] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至15均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0067] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0068] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0069] 实施例中提供了一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，如图1所示，所述支护结构包括外层的支护桩围护结构1、环形内支撑2、位于支护桩围护结构1与环形内支撑2之间的液压千斤顶反力系统3。如图3和图4所示，所述支护桩围护结构1是由H型钢100和U型钢板桩101交错围合而成的环形围护结构，在每根H型钢100的其中一侧翼板的两端分别设有与U型钢板桩101上的第一锁口102相匹配的第二锁口103，相邻的H型钢100和U型钢板桩101之间通过第一锁口102和第二锁口103咬合连接形成一个环形结构；所述U型钢板桩101的开口朝向环形围护结构的圆心，所述第二锁口103通长焊接在H型钢100的翼缘两侧，H型钢100和U型钢板桩101咬合连接后，U型钢板桩101的开口面与H型钢100内侧翼板在同一环形面上；所述液压千斤顶301间隔分布在H型钢100内侧，且相邻液压千斤顶301之间间隔一根H型钢
100和两根U型钢板桩101。如图5所示，所述环形内支撑2是由多根弧形钢梁200拼接而成的，所述弧形钢梁200有Ⅰ型和Ⅱ型两种，选择其中一种或两种组合拼成环形内支撑2，相邻弧形钢梁200之间通过多个连接螺栓201连接，为了连接方便，在每节弧形钢粱的端头设置螺栓板，然后通过高强螺栓连接，拆装便捷；为提高拼装节之间的稳定性和耐久性，在户型钢梁端头螺栓板开4～6个螺栓孔。

[0070] 实施例中提供的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，如图2和图3所示，所述液压千斤顶反力系统包括液压控制系统300和分散设置在支护桩围护结构1与环形内支撑2之间的多个液压千斤顶301，在支护桩围护结构1内侧对应安装液压千斤顶301的位置安装有吊架4，每个液压千斤顶主体301一端置于吊架4上，并与支护桩围护结构1顶紧，另一端与环形内支撑2采用高强螺栓连接；所述液压控制系统300通过信号电缆302与液压千斤顶301信号连接，所述液压千斤顶301上设有压力传感器和行程传感器，在液压千斤顶301的进油口设有伺服油阀304，所述液压控制系统300包括千斤顶轴力采集模块、土压力及环形内支撑轴力监测模块、行程控制模块和显示报警模块；所述压力传感器用于监测液压千斤顶301的轴向压力，并输送至千斤顶轴力采集模块，所述土压力及环形内支撑轴力监测模块用于根据千斤顶轴力采集模块采集的轴向压力计算土压力和环形内支撑轴力后发送至显示报警模块；所述行程传感器用于监测液压千斤顶301的行程，并将信号发送至行程控制模块，通过行程控制模块控制伺服油阀304的进油量。液压控制系统300主要用于控制液压千斤顶的行程，并采集液压千斤顶的轴力数据，对支护结构外侧的土压力监测以及对支护结构的环形内支撑轴力监测；每层环形内支撑2之间的多个液压千斤顶301由一套液压控制系统控制，该液压控制系统分别通过信号线与每个液压千斤顶信号连接，能够同时采集和计算一圈环形内支撑2上的多个液压千斤顶。多层环形内支撑2的液压千斤顶可以由同一套控制系统控制，也可以由多套控制系统控制。

[0071] 实施例中提供的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构，如图7所示，所述吊架4为可调式吊架，包括竖向端板400和横向托板401，竖向端板400竖向焊接在H型钢100临近基坑一侧的翼板上，在竖向端板400内侧底部对称设有连接板402，每块连接板402上方通过连接架403与竖向端板400固定连接，所述横向托板401位于连接板402下方，并与竖向端板400相互垂直，横向托板401通过调节螺栓404与连接板402连接；所述液压千斤顶301的顶紧端置于横向托板401上，另一端与弧形钢梁200焊接或通过螺栓连接，在液压千斤顶301上设有吊环303。

[0072] 本发明中公式(1.1)、(1.2)具体推导过程如下：首先，对力学模型做基本假定：(1)支护桩沿圆筒型基坑呈轴对称分布，支护桩几何形状、力学性能均相同；(2)圆筒型基坑周边土层均匀且相同，地面荷载延坑顶呈轴对称分布；(3)环形内支撑为弹性材料，变形满足胡克定理；(4)忽略弧形钢梁接头处应力分布不均匀。

[0073] 在满足上述假定的条件下，计算可简化为轴对称受力问题，计算简图见附图10至15；取单个弧形钢梁拼装节进行分析，对于土压力监测换算公式有：环形内支撑外径为Rh、内径为rh，基坑开挖平面直径为d。环形钢梁弧长为Lh，弧度为nh，千斤顶个数为n，千斤顶轴力值为p。则环形钢梁对应的圆心角θ＝(180°×nh)/π，该圆心角对应的支护段弧长长度Lz＝nh×d，该支护段等效高度为b。

[0074] 以此有计算段范围内土压力的合力：

[0075] Pak＝pak×Lz×b (1)

[0076] 计算段范围内千斤顶合力：

[0077] P＝p×n (2)

[0078] 根据力的平衡有：

[0079] n×p＝pak×Lz×b (3)

[0080] 整理得：

[0081]

[0082] 式中：

[0083] pak‑监测点深度处的土压力(kPa)；

[0084] n‑单个弧形拼装钢梁上千斤顶的个数；

[0085] p‑千斤顶轴力(kN)；

[0086] nh‑弧形钢梁的弧度(rad)；

[0087] d‑圆筒型基坑开挖直径(m)；

[0088] b‑计算段支护桩等效高度，与H型钢材料性质有关，取千斤顶与支护桩接触面垂直方向长度的1.0～1.2倍(m)。

[0089] 取单个弧形钢梁拼装节进行分析，对于环形内支撑轴力监测换算公式有：

[0090] 假设环形内支撑在伺服千斤顶压力p作用下产生的径向变形量为ΔR，环形内支撑计算半径为Rh，则产生的压缩应变为εh为：

[0091]

[0092] 因环形钢支撑为弹性材料，根据胡可定律可得环向轴力N为：

[0093]

[0094] 选取的弧形钢梁计算单元内，其受力如附图8中的(4)所示，环形内支撑的环向轴力N和千斤顶支点力p的关系为：

[0095]

[0096] 其中，θ为弧形钢梁弧度对应的圆心角，α为千斤顶作用段对应的圆心角，单个弧形钢梁n个千斤顶，由此根据几何原理有：

[0097] θ＝(18O°×nh)/π (8)

[0098]

[0099] 联立(7)、(8)、(9)有千斤顶轴力和环撑环形轴力关系为：

[0100]

[0101] 便可得到公式：

[0102]

[0103] 根据上式通过数学公式代换还可得环形内支撑等效侧向刚度理论值Kh：

[0104]

[0105] N—环形内支撑环向轴力(kN)；

[0106] p—伺服液压千斤顶轴力(kN)；

[0107] Eh—弧形钢梁的弹性模量(MPa)；

[0108] Ah—弧形钢梁截面积(m2)；

[0109] nh—弧形钢梁弧度(rad)；

[0110] n—单个弧形拼装钢梁上千斤顶个数；

[0111] Rh—环形内支撑计算半径，取环形内支撑中心线对应的半径(m)。

[0112] 实施例中提供的一种用于圆筒型基坑的组合桩支护结构的施工方法，具体步骤如下：

[0113] S1：施工准备，加工H型钢，在H型钢的其中一侧翼板的两端焊接锁口，且该锁口与U型钢板桩的锁口相匹配。

[0114] S2：场地整平及测量放线，根据设计图纸确定支护桩围护结构的桩位。

[0115] S3：沉桩施工支护桩围护结构；所述沉桩的过程与拉森钢板桩的施工过程相同，单根施工，然后相邻两根桩体之间通过锁扣扣合；当基坑开挖深度较深、地层条件较差时可预先施做三轴搅拌桩，在再搅拌桩中插入π型组合桩。在工程地质及地下水条件较好时可直接沉桩，沉桩困难时可采取合适助沉手段，保证施工质量。

[0116] S4：基坑开挖与内支撑施做；首先进行基坑的开挖，在开挖到第一层内支撑设置标高时，在施工好的支护桩围护结构的H型钢临近基坑侧翼板上焊接吊架，相邻两吊架之间间隔一组H型钢，并调节吊架托板标高，使其符合内支撑安装要求；然后安装液压千斤顶系统，其液压控制系统置于地面，液压千斤顶安装在吊架上，将准备好的Ⅰ型或Ⅱ型弧形钢粱拼接成环形内支撑，并与液压千斤顶连接；环形内支撑在千斤顶安装好后拼装，再通过控制千斤顶行程将支护桩与环形内支撑顶紧；每个千斤顶上安装有伺服油阀、轴力传感器等，仅控制站及油箱在地面，每层千斤顶独立控制。

[0117] S5：通过液压控制系统调整液压千斤顶行程，并在调整过站中通过千斤顶的轴向压力监测土压力及环形内支撑轴力，使得环形内支撑与液压千斤顶、液压千斤顶与支护桩围护结构连接紧密，完成第一层基坑支护结构的施工；液压千斤顶与支护桩围护结构连接紧密的判断是通过观察压力传感器数据进行判断，在千斤顶施加轴力后可消除拼装产生的间隙，当连接存在间隙时，压力传感器轴力基本不增大但千斤顶行程持续增加，当间隙被消除时压力传感器轴力与千斤顶行程呈线性关系，此时可判断结构连接紧密；类似于给钢支撑施加预应力，或给模板支架预压。在此期间还可以期间监测千斤顶轴力及支护桩内支撑标高处位移，位移监测主要是以轴力控制模式下进行，即将该点计算土压力作为轴力控制土压力，在此压力下允基坑发生变形，从而实现位移监测；

[0118] 通过千斤顶的轴向压力监测土压力及环形内支撑轴力的监测具体是通过压力传感器监测液压千斤顶的轴向压力，并通过千斤顶轴力采集模块采集数据后，发送至土压力及环形内支撑轴力监测模块，通过土压力及环形内支撑轴力监测模块计算出土压力和环形内支撑轴力后发送至显示报警模块进行显示及报警提示；

[0119] 其中，所述土压力的计算过程按照公式(1.1)进行：

[0120]

[0121] 式中：

[0122] pak—监测点深度处的土压力(kPa)；

[0123] n—单个弧形拼装钢梁上千斤顶的个数；

[0124] p—千斤顶轴力(kN)；

[0125] nh—弧形钢梁的弧度(rad)；

[0126] d—圆筒型基坑开挖直径(m)；

[0127] b—计算段支护桩等效高度，与H型钢材料性质有关，取千斤顶与支护桩接触面垂直方向长度的1.0～1.2倍(m)。

[0128] 所述环形内支撑轴力按照公式(1.2)计算：

[0129]

[0130] 式中：Nc—环形内支撑轴力监测值(kN)；

[0131] p—伺服液压千斤顶最大轴力监测值的0.95倍(KN)；

[0132] nh—换撑弧度(rad)；

[0133] n—单个弧形拼装钢梁上千斤顶的个数；

[0134] S6：继续开挖到下一层内支撑标高，重复S4与S5，完成下一层基坑支护结构的施工过程。

[0135] S7：重复S6直至开挖到基坑底部，完成整个基坑支护结构的施工；施做底板、侧墙及肥槽回填(若有)。

[0136] S8：最后分层拆除支撑，每层支撑的拆除是先通过起吊设备起吊环形刚支撑、液压千斤顶卸压、拆卸环形钢支撑、拆卸千斤顶，施工侧墙；整体拆除完成后，进行建筑封顶、回填。

[0137] 本发明中伺服液压千斤顶反力控制系统是改善支护结构真圆度、提高基坑环向刚度的重要组件，同时可监测土压力、环形内支撑的轴力。

[0138] 上述实施例中的H型钢100的高为700～850mm，型钢宽度为300mm，型钢翼板厚度为3 3
19～31mm，型钢腹板宽度为13～17mm，截面模量为4743cm～9073cm ，并应根据基坑等级及建设条件综合选用；所述U型钢板桩宽度为400～600mm，钢板桩高度为125～225mm，钢板桩腹板厚度为8.0～27.6mm。并因根据基坑等级及地下水情况综合选用。弧形钢梁标准节采用双拼热轧H型钢(型钢规格h×b＝500×200)焊接而成。所述Ⅰ型弧形钢粱弧度0.279rad，弧长1.2m；Ⅱ型弧形钢梁弧度0.279rad，弧长(按弧形钢梁中心线计算)2.5m。

[0139] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。